[Lý thuyết] Quá trình đẳng nhiệt & Định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt (có bài tập)

Video bài giảng

Trạng thái và quá trình biến đổi trạng thái là gì?

3 thông số được dùng để xác định trạng thái của một lượng khí bao gồm: 

• V: thể tích 

• p: áp suất 

• T: nhiệt độ tuyệt đối

Một lượng khí có thể chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác thông qua các quá trình biến đổi trạng thái.

Hầu hết trong các quá trình biến đổi, 3 thông số V, p, T đều thay đổi. Tuy nhiên, cũng có trường hợp chỉ có 2 thông số thay đổi, thông số còn lại vẫn giữ nguyên. Ta gọi đây là các đẳng quá trình. Cụ thể hơn:

• Quá trình đẳng áp: Áp suất không đổi.

• Quá trình đẳng tích: Thể tích không đổi.

• Quá trình đẳng nhiệt: Nhiệt độ không đổi.

Quá trình đẳng nhiệt là gì?

Quá trình biến đổi trạng thái trong đó nhiệt độ được giữ nguyên không thay đổi được gọi là quá trình đẳng nhiệt.

Định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt là gì? (Vật Lý 10)

Thí nghiệm:

• Lượng khí được khảo sát được chứa trong bình A, dưới khí là nước. Nước trong 2 bình A và B thông nhau. Dùng áp kế M để đo áp suất p của khí, thước T dùng để xác định thể tích V của khí. 

• Máy bơm P nối với bình B để thay đổi áp suất khí trong bình B, đồng thời cũng làm thay đổi áp suất khí trong bình A.

Tiến hành thí nghiệm: "Làm chậm để nhiệt độ của lượng khi không thay đổi."

• Ban đầu, bình B thông với khí quyển. Ghi nhận được kết quả của áp suất và thể tích khí lần lượt là p1=1 atm, V1 = 20.S cm3.

• Nối B với vòi hút của P, hút nhẹ để làm giảm áp suất khi trong B, từ đó làm giảm áp suất trong bình A. Ghi nhận được kết quả của áp suất và thể tích khí lần lượt là p2 = 0,6 atm, V2 = 30.S cm3.

• Nối B với vòi đẩy của bơm P, bơm nhẹ để làm tăng áp suất lượng khí trong bình A và bình B. Ghi nhận được kết quả của áp suất và thể tích khí lần lượt là p3=1,9 atm, V3 = 10.S cm3

Kết luận thí nghiệm: Với sai số tỉ đối là 5%, có thể coi gần đúng biểu thức sau: p1.V1 = p2.V2 = p3.V3

Phát biểu định luật 

Định luật Bôi - lơ Ma - ri- ốt: “Ở nhiệt độ không đổi, tích của áp suất p và thể tích V của một lượng khí xác định là một hằng số”

Định luật Boyle là gì? (Vật Lý 12)

Định luật Boyle là định luật mô tả mối quan hệ giữa áp suất và thể tích của một lượng khí khi nhiệt độ không đổi.

Định luật khẳng định: “Áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích” hay P·V = hằng số, nghĩa là thể tích giảm thì áp suất tăng và ngược lại.

Công thức đẳng nhiệt và đường đẳng nhiệt

Công thức đẳng nhiệt

Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, thể tích tỷ lệ nghịch với áp suất khí.

• p.V = hằng số 

• p1.V1 = p2.V2 = p3.V3

Đường đẳng nhiệt 

Đường đẳng nhiệt biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể tích khi nhiệt độ không đổi theo thời gian. Trong hệ tọa độ (p, V), đường đẳng nhiệt là là một đường hypebol. Xét cùng một lượng khí, ứng với các mức nhiệt độ khác nhau sẽ có các đường đẳng nhiệt khác nhau.

Đường đẳng nhiệt ở dưới biểu diễn nhiệt độ thấp hơn so với đường đẳng nhiệt ở trên.

Xem thêm: Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng (cần nhớ) | Kiến thức Vật Lý 10

Bài tập quá trình đẳng nhiệt Vật Lý 10

Bài 1: Một xilanh chứa 150 cm3 khí ở áp suất 2.10^5 Pa.Pit-tông nén khí trong xilanh xuống còn 100 cm3.Tính áp suất của khí trong xilanh lúc này, coi nhiệt độ như không đổi.

Hướng dẫn giải: 

Áp dụng công thức định luật Bôi - lơ Ma - ri - ốt:

Bài 2: Một quả bóng có dung tích 2,5 lít. Người ta bơm không khí ở áp suất 10^5 Pa vào bóng. Mỗi lần bơm được 125 cm3 không khí. Tính áp suất của không khí trong quả bóng sau 45 lần bơm. Coi quả bóng trước khi bơm không có không khí và trong khi bơm nhiệt độ của không khí không thay đổi.

Hướng dẫn giải:

45 lần bơm đã đưa vào quả bóng một lượng khí ở bên ngoài có thể tích và áp suất tương ứng là: 

V1 = 45. 125 = 5625 (cm3)

P1 = 10^5 Pa

Khi nhốt hết lượng khí trên vào quả bóng thì nó có thể tích là bằng thể tích quả bóng: V2= 2,5 lít = 2500 cm3 và một áp suất là P2

Quá trình là đẳng nhiệt, áp dụng công thức định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt:

Bài 3: Một lượng khí ở nhiệt độ 18°C có thể tích 1m3 và áp suất 1 atm. Người ta nén đẳng nhiệt khí với áp suất 3,5 atm. Tính thể tích khí nén.

Hướng dẫn giải:

Áp dụng công thức định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt:

Bài 4: Người ta điều chế khí hidro và chứa một bình lớn dưới áp suất 1 atm ở nhiệt độ 20°C. Tính thể tích khí, lấy từ bình lớn ra để nạp vào bình nhỏ thể tích là 20 lít dưới áp suất 25 atm. Coi nhiệt độ không đổi.

Hướng dẫn giải: 

Áp dụng công thức định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt:

P1.V1 = P2.V2 V1 = P2.V2P1 = 25.201 = 500 (lít)

Bài 5: Tính khối lượng khí oxi đựng trong bình thể tích 10 lít dưới áp suất 150 atm ở nhiệt độ 0°C. Biết ở điều kiện chuẩn khối lượng riêng của oxi là 1,43 kg/m3

Hướng dẫn giải:

Bài tập quá trình đẳng nhiệt Vật Lý 12

Ứng dụng thực tế của quá trình đẳng nhiệt

Quá trình đẳng nhiệt xuất hiện nhiều trong các động cơ nhiệt và các hệ thống nén - giãn khí. Khi khí được nén hoặc giãn chậm, nhiệt kịp truyền ra môi trường nên nhiệt độ gần như không đổi, giúp mô tả chính xác mối quan hệ áp suất - thể tích.

Trong thực tế, quá trình này hỗ trợ tính toán công nén khí, tối ưu hiệu suất máy nén và động cơ. Nó cũng được dùng để mô phỏng hoạt động của xi-lanh, piston, và các thiết bị dùng khí nén trong sản xuất.

FAQ - Những thắc mắc khác về quá trình đẳng nhiệt

1. Làm sao biết một quá trình có phải đẳng nhiệt hay không?

Nếu nhiệt độ của khí không thay đổi trong suốt quá trình nén hoặc giãn, đó là quá trình đẳng nhiệt.

2. Vì sao phải nén khí chậm mới tạo được quá trình đẳng nhiệt?

Vì khí cần thời gian trao đổi nhiệt với môi trường để giữ nhiệt độ ổn định.

3. Đồ thị quá trình đẳng nhiệt có dạng gì?

Là một hyperbol trên hệ trục P–V, biểu diễn quan hệ P·V = const.

4. Quá trình đẳng nhiệt và đẳng áp khác nhau thế nào?

Đẳng nhiệt giữ nhiệt độ không đổi; đẳng áp giữ áp suất không đổi.

5. Trong thực tế, quá trình nén khí có hoàn toàn đẳng nhiệt không?

Không hoàn toàn; nén nhanh làm nhiệt độ tăng, chỉ nén chậm mới gần đúng đẳng nhiệt.

Monkey đã tổng hợp các kiến thức trọng tâm đối với nội dung Quá trình đẳng nhiệt và định luật Bôi - lơ Ma - ri - ốt. Hy vọng bài viết trên sẽ giúp ích cho các em trong quá trình tìm hiểu và nâng cao kiến thức Vật Lý.